CN117077336A - 一种天然气管网动态气源占比跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气管网动态气源占比跟踪方法，属于天然气管网瞬态仿真领域。步骤一，求解条件设置；步骤二，管网拓扑结构获取；步骤三，边界条件获取；步骤四，水力参数获取，并进行管内流体流速计算；步骤五，针对管网中所有内部节点建立气源掺混方程，并计算节点处气源占比；步骤六，针对管网中所有管道的初始截面，建立气源占比约束方程，计算截面“0”处气源占比；步骤七，针对管网中所有管道的除初始截面以外的截面，建立气源运移方程的一阶迎风差分格式，计算截面“1”～“k”处气源占比；步骤八，重复步骤五至步骤七，重复次数为管网节点数，此时的输出结果为该时刻下的完整结果；步骤九，该时刻下，输出节点气源占比与管道截面气源占比；步骤十，下一时间步长下，重复步骤三至十。本发明提出的天然气管网动态气源占比跟踪方法具有计算流程清晰、方法简便、计算速度快的特点，可以应用于任意结构的天然气管网，具有较强适应性，且在应用于大型天然气管网时可以极大缩短计算时间。

Description

一种天然气管网动态气源占比跟踪方法

技术领域

本发明属于天然气管网的瞬态仿真领域，是一种天然气管网动态运行工况下的气源占比跟踪方法。

背景技术

气源占比跟踪，指实时跟踪每一个气源在管网中的去向，跟踪这些气源从进入管网开始到用户节点流出之间的运移过程，并包括每个用户在任意时间点下所用气的气源构成，以及实时监测管网中任意位置处的气源占比构成。气源占比跟踪对于管网的调控来说具有实际意义。2010年，北京天然气气源更换，造成天然气报修事故，通过消耗大量人力物力的检修确定只是气源更换问题，导致大量人力物力的浪费。如果在管网调控中加入这项技术，就可以实时跟踪发生更换的气源的流向，确定这些气源会流入到哪些用户中，从而避免类似事故的再次发生。

天然气管网瞬态气源跟踪的技术难点在于，由于管网结构复杂且节点繁多，在一个实际管网中可能同时包含枝状、环状与放射状结构，并且实际管网可能拥有上千个节点与上千个管道分支，要想确定这些管道分支处的气体流向本就是一件困难的任务，加上上千个节点中都会发生气源的掺混，使得掺混后的气体中气源占比更加难以确定，因此通过人工手段进行气源占比跟踪难以实现，而如果采用仿真手段模拟气源运动轨迹，则需要考虑如何简化现有气源运移模型并采用较为简便、清晰的方法处理管网复杂的拓扑结构，以适应大型复杂天然气管网的气源流动模拟，在保证准确性的前提下缩短运算时间。

中海油海南分公司提出过一项在审核的CN115630479A《一种多气源管网中气体跟踪计算方法、装置、服务器及存储介质》发明专利，该专利中采用批次跟踪法进行气体介质的跟踪，即将气源点处的输出气体进行批次划分，跟踪每一段气体批次的运行位置。这种方法可以实现小规模简单管网的动态气源占比跟踪，但对于上千个节点的大规模复杂管网来说难以应用，不仅会造成较大的误差积累，且需要庞大算力，对计算机的性能与内存要求极高。中石油公开过一项CN113192570A《天然气气体组分确定及气源构成确定方法及装置》发明专利，这项专利可以得到简单管网中稳态工况下各位置处的组分与气源占比分布，但是不能得到动态工况下气源在管网内运移的过程模拟，也难以适用于流向复杂多变的大型复杂管网。北京燃气集团公司发表的文章《气源与组成跟踪分析在多气源输配管网的应用》报告了一种多气源管网中的气源与组分跟踪方法，他们提出的方法较为复杂且需要依赖人工辅助的手段，在气源跟踪前需要对气源进行人工采样，通过光谱仪测定其组成、热值与物性参数，再通过人工手段记录燃气输送过程中的流向与路程，这对于一个形状确定的小型燃气管网来说可以实现，但是对于任意结构的大型管网来说就难以实现了。西安石油大学的王寿喜在《天然气管网在线仿真理论与实践》一文中报告了一种基于SCADA系统的可以实时跟踪气源走向的在线仿真系统，但是模型较为复杂，在应用于任意结构的大型管网时计算量大，计算时间长。

发明内容

本发明提出了一种天然气管网动态气源占比跟踪方法，依据将气源看作一种特殊组分的思想，采用组分运移方程描述气源的运动规律，克服了天然气管网中气源难以追踪的问题，具有方法简便、思路清晰、计算量小、计算速度快的特点，可以应用于任意结构的天然气管网，具有较强适应性，且在应用于大型天然气管网时可以极大缩短计算时间。

上述的一种天然气管网动态气源占比跟踪方法，包括以下步骤：

步骤一，求解条件设置。首先需要设置求解的时间步长(每两次计算的间隔时间)、距离步长(每两段管道划分之间的距离)、管道划分段数；

步骤二，管网拓扑结构获取。管网拓扑结构表示为NRup[i]与NRdown[i]数组中；

步骤三，边界条件获取。每个气源处各时刻下的气源占比、每条管道的管径与壁厚均作为已知量获取；

步骤四，水力参数获取。在每个时刻下，获取管网中每根管道内的体积流量与流向，并计算流速。流速通过下式计算：

式中：——t时刻下，i截面处气体流速，m/s；

——t时刻下，i截面处气体体积流量，m³/s；

d——管道内径，m；

步骤五，该时刻下，针对管网中所有内部节点，基于各气源完全混合原则，建立气源掺混方程，计算节点处某一气源的占比，气源掺混方程如下所示：

式中：——t时刻下，节点i中气源占比，无量纲；

——t时刻下，与节点i相连的管道j中气源占比，无量纲；

——t时刻下，与节点i相连的管道j中流体的体积流量，m³/s；

n——管网中节点个数，个；

p——管网中管道个数，个。

步骤六，该时刻下，针对管网中所有管道的初始截面，建立气源占比约束方程，计算截面“0”处气源占比，初始截面气源占比约束方程如下所示：

式中：——t时刻下，管道E中截面“0”处气源占比，无量纲；

——t时刻下，管道E的上游节点N中气源占比，无量纲；

步骤七，该时刻下，针对管网中所有管道的除初始截面以外的截面，建立气源运移方程的一阶迎风差分格式，计算截面“1”～“k”处气源占比。若计算值小于0，则该截面处气源占比为0。气源运移方程的一阶迎风差分格式如下所示：

式中：——t+△t时刻下，i+1截面处气体流速，m/s；

——t+△t时刻下，i+1截面处气源占比，无量纲；

——t+△t时刻下，i截面处气源占比，无量纲；

——t时刻下，i截面处气源占比，无量纲；

——t时刻下，i+1截面处气源占比，无量纲；

△t——时间步长，s；

△x——距离步长，m；

步骤八，重复步骤五至步骤七，重复次数为管网节点数。

步骤九，该时刻下，输出节点处气源占比y_i,n,t、管道各截面中气源占比y_i,p,0,t～y_i,p,k,t。

步骤十，下一时间步长下，重复步骤三至十。

附图说明

附图1天然气管网动态气源占比跟踪方法步骤图。

附图2案例管网结构图。

附图3程序计算结果图。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明的应用方式作进一步描述。

例：采用一个3节点、3气源的天然气管网，管网结构图如附图2所示。水力工况见下表。管道的内径设为固定值0.711m。

步骤一，求解条件设置。首先需要设置求解的时间步长(每两次计算的间隔时间)、距离步长(每两段管道划分之间的距离)、管道划分段数。如水力工况图所示，设置时间步长为0.25s，管道步长为300m，管段数全部为4段。

步骤二，管网拓扑结构获取。按照附图2的结构与水力工况表的流向，将管道上节点、下节点信息赋给数组NRup[i]与NRdown[i]；

步骤三，边界条件获取。任意时刻下，每个气源处的气源占比固定为：计算气源处该气源的气源占比为1，则其它气源的气源占比为0，管道内径为0.711m；

步骤四，水力参数获取。在每个时刻下，获取管网中每根管道内的体积流量与流向，即表1中所述参数。然后通过式(1)计算各管道截面处的流速。由于案例工况中流量在一条管道中每个时刻下都不变，因此该步骤计算出的流速在一条管道中的每个截面中也相同；

步骤五，在0时刻下，针对案例管网中节点1、节点2、节点3，基于式(2)，计算节点处气源的占比y_i,n,t。由于此时节点1对应的m管道与n管道的末端截面处组分还未计算，因此在这一步下节点1的气源占比为0。同理，节点2与节点3也为0；

步骤六，在0时刻下，针对管网中所有管道的初始截面，建立气源占比约束方程，计算截面“0”处气源占比y_i,p,0,t。假设计算气源m的占比，则此时只有m管道的“0”截面处有数值，数值为“1”，而其余管道的“0”截面处数值仍为0；

步骤七，在0时刻下，针对管网中所有管道的除初始截面以外的截面，建立气源运移方程的一阶迎风差分格式，计算截面“1”～“k”处气源占比y_i,p,1,t～y_i,p,k,t。若计算值小于0，则该截面处气源占比为0。

步骤八，重复步骤五至步骤七，重复次数为管网节点数。当步骤八结束时，节点1、节点2、节点3、管道1、管道2、管道3中的气源占比才是这一时刻下真正计算得到的结果。

步骤九，在0时刻下，输出节点处气源占比y_i,n,t、管道各截面中气源占比y_i,p,0,t～y_i,p,k,t。

步骤十，令“t＝t+△t”，并在下一步长下重复步骤三至十，以此类推。附图3给出了5s、10s、15s和20s下该方法的计算结果。

附图3中可以看出，在第5s时，管道m、管道3、管道1和管道2的气源M占比构成均呈现由初始截面到末端截面逐渐降低的分布，这符合管道内气体运移的规律；而管道n与管道p的气源M占比均为0，这是因为这两个管道直接与气源N与气源P相连，由表中流向可知气源M不会运移到这两根管道中，因此符合预期结果；由图(d)可知，在20s时，管道m、管道1、管道3均已达到稳态，各截面处组分均相同且不再变化，数值与稳态工况下的气源占比相同，这说明该方法可以准确模拟天然气管网中工况从改变到重新到达稳态时气源占比的变化规律。

因此，本发明提出的一种天然气管网动态气源占比跟踪方法填补了国内管网瞬态仿真中关于气源跟踪的空白，弥补了现有国产软件不能进行气体溯源的不足，具有计算流程清晰、方法简便、计算速度快的特点，为国产管网仿真系统的气体溯源提供技术方案。

Claims (3)

1.一种天然气管网动态气源占比跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，首先需要给定一个求解的总时间T，每两次求解的时间间隔△t，以及每条管道的划分段数，求解总时间T除以每两次求解的时间间隔△t得到需要求解的时刻总数为T_x；

步骤二，对于管网中的第i根管道，定义i管道上节点数组NRup[i]与i管道下节点数组NRdown[i]，将管网中所有节点依次编号，并将管道i上节点编号赋予到NRup[i]中，下节点编号赋予到NRdown[i]中；

步骤三，初始时刻下管网中所有位置处气源占比为0，在所有时刻下，每个气源处该气源的气源占比为1，其它气源的占比为0，每条管道的管径与壁厚均作为已知量获取；

步骤四，在第一个时刻下，管网中每根管道内的体积流量与流向都作为已知参数获取；

步骤五，在第一个时刻下，针对管网中所有内部节点，按照各气源在节点处完全混合的原则，建立气源掺混方程，以节点相连的各上游管道内的流量作为权重求解某一气源占比的加权平均数，按此方法计算节点处某一气源的占比y_i,n,t；

步骤六，在第一个时刻下，针对管网中所有管道的初始截面，建立气源占比约束方程，将与该管道相连的上游节点的气源占比赋值给初始截面，按此方法计算截面“0”处气源占比y_i,p,0,t；

步骤七，在第一个时刻下，针对管网中所有管道的除初始截面以外的截面，建立气源运移方程的一阶迎风差分格式，计算截面“1”～“k”处气源占比y_i,p,1,t～y_i,p,k,t。若计算值小于0，则该截面处气源占比为0；

步骤八，重复步骤四至步骤七，重复次数为管网节点数；

步骤九，在第一个时刻下，输出节点处气源占比y_i,n,t、管道各截面中气源占比y_i,p,0,t～y_i,p,k,t；

步骤十，计算第二个时刻，重复步骤三至十，重复次数为所有时刻的总数T_x。

2.如权利要求1所述的一种天然气管网动态气源占比跟踪方法，其特征在于，所建立的气源占比跟踪模型如下所示：

气源运移方程差分格式如下式所示：

式中：——t+△t时刻下，i+1截面处气体流速，m/s；

——t+△t时刻下，i+1截面处气源占比，无量纲；

——t+△t时刻下，i截面处气源占比，无量纲；

——t时刻下，i截面处气源占比，无量纲；

——t时刻下，i+1截面处气源占比，无量纲；

△t——时间步长，s；

△x——距离步长，m；

初始截面气源占比方程如下所示：

式中：——t时刻下，管道E中截面“0”处气源占比，无量纲；

——t时刻下，管道E的上游节点N中气源占比，无量纲；

节点气源掺混方程如下所示：

式中：——t时刻下，节点i中气源占比，无量纲；

——t时刻下，与节点i相连的管道j中气源占比，无量纲；

——t时刻下，与节点i相连的管道j中流体的体积流量，m³/s；

n——管网中节点个数，个；

p——管网中管道个数，个。

3.如权利要求1所述的一种天然气管网动态气源占比跟踪方法，其特征在于，采用将气源看做一种特殊组分的思想，利用组分输运方程来求解气源在管网中的运移，可以实时得到天然气管网内各节点与管道中的气源占比，以及气源在管网内的运移轨迹，具有方法简便、思路清晰、计算量小、计算速度快的特点，可以应用于任意结构的天然气管网，具有较强适应性，且在应用于大型天然气管网时可以极大缩短计算时间。